JP2001028465A - 超伝導素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な構造や高度な加工技術を用いることな
く低消費電力と高速性を実現する。 【解決手段】 超伝導時における電気伝導方向に異方性
を有する酸化超伝導体２(ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ})をチャネル
部に用いる。ソース電極４およびドレイン電極５は、酸
化超伝導体２を貫通して基板１に到達するまで深く形成
する。ゲート電極６は、チャネル部の超伝導面に対して
垂直方向に設置し、且つ、「コ」字状に形成する。こうし
て、酸化超伝導体２の電気伝導の高い方向とチャネル部
全体の信号伝達方向とを一致させて、チャネル部がゲー
ト電極６からの電場の影響を受け難くして強磁場を発生
可能にする。こうして、チャネル部の信号伝達を高速で
行い、電場を用いる方法に比べて微細加工を必要とせ
ず、ゲート電流を低減して低消費電力化を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超伝導体を用い
た超伝導素子に関し、詳しくは低消費電力で且つ高速性
に優れた磁場制御方式の超伝導素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】素子に超伝導材料を用いることは、超伝
導時の低消費電力および高速応答性を利用できるという
利点があり、様々な応用展開の試みがなされてきてい
る。しかしながら、半導体素子のように電界効果型の素
子を超伝導材料で実現するためには、ジョセフソン素子
やＳＱＵＩＤ(超伝導量子干渉素子)の場合ように微細加
工や高電圧を必要とする。そこで、磁場で制御する超伝
導素子が提案されている。例えば、特開平３−１９６５
８４号公報や特開平７−３０１６０号公報には、超伝導
体からチャネル部である半導体へ近接効果によって浸み
出す超伝導電流を磁場により制御する方法が提案されて
いる。また、特開平２−１８３５８３号公報には、磁歪
体を用いて超伝導体に圧力を掛けることによって超伝導
電流を制御する方法が提案されている。更に、特開平２
−１９４６６７号公報には、超伝導多結晶薄膜をチャネ
ルとして用い、このチャネルの弱結合部分に磁場を印加
することによって超伝導電流を制御する方法が提案され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のチャネルの電流を磁場で制御する超伝導素子には、
以下のような問題がある。すなわち、上記特開平３−１
９６５８４号公報や特開平７−３０１６０２号公報のご
とく、近接効果によってチャネル部(半導体)に浸み出す
超伝導電流を磁場で制御する方法においては、超伝導体
と半導体(チャネル部)との接合を形成する技術や超伝導
体における浸み出しの長さに対応する微細化技術が要求
されるために、量産性に問題がある。また、特開平２−
１８３５８３号公報や特開平２−１９４６６７号公報に
おいては、チャネルの超伝導電流を制御するために、磁
歪体を用いて超伝導体に圧力を掛けたり超伝導多結晶薄
膜の弱結合に磁場を印加するのであるが、上記圧力や弱
結合部分の再現性に問題がある。さらに、臨界電流が低
く信頼性に欠けるという問題がある。

【０００４】このように、上記各従来の技術において
は、構造が複雑になったり、加工が難しいという問題が
ある。また、チャネル部に流せる電流が小さいという問
題が生じる。すなわち、上述のように、超伝導が本来有
している低消費電力や高速応答性を十分に引き出してい
ないという問題点がある。

【０００５】そこで、この発明の目的は、複雑な構造や
高度な加工技術を用いずに、チャネル部の特性が良好
で、再現性と信頼性に優れ、低消費電力と高速性に優れ
た超伝導素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、信号伝達部であるチャネル部に超伝導
を担うキャリアの伝導方向に異方性を有する超伝導体を
用いると共に,チャネル電流を磁場で制御する超伝導素
子において、上記チャネル電流方向と上記超伝導体の電
気伝導が高い方向とが上記チャネル部全体において一致
しており、上記磁場を印加する方向が超伝導面に対して
略垂直であることを特徴としている。

【０００７】上記構成によれば、チャネル電流方向とチ
ャネル部を構成する超伝導体における電気伝導が高い方
向とが一致しているため、上記チャネル部の信号伝達が
高速に行われる。さらに、上記チャネル電流を磁場で制
御するために、ジョセフソン素子やＳＱＵＩＤ等のよう
な微細加工によらずに形成される。さらに、上記磁場を
印加する方向が超伝導面に対して略垂直であるために、
最も効率的に磁場によってチャネル電流を制御でき、磁
場制御用の電流を低減して低消費電力化が図られる。

【０００８】また、この発明の超伝導素子は、上記チャ
ネル電流を制御する磁場を発生させるためのゲート電極
を、上記チャネル部を構成する上記超伝導体に対して電
気伝導が低い方向に設置することが望ましい。

【０００９】上記構成によれば、上記チャネル部とゲー
ト電極との間のキャリア突き抜けが防止されるため特性
劣化が起こり難い。さらに、上記チャネル部は、上記ゲ
ート電極からの電場の影響を受け難くなる。

【００１０】また、この発明の超伝導素子は、上記ゲー
ト電極を一部が切れたループ形状に成し、上記ゲート電
極に電流を流すことによって上記磁場を発生させること
が望ましい。

【００１１】上記構成によれば、上記ゲート電極に電流
を流すことによって磁場が効果的に発生され、小電流で
必要な磁場が発生される。こうして、低消費電力化が図
られる。

【００１２】また、この発明の超伝導素子は、上記チャ
ネル部を単結晶の超伝導体で構成することが望ましい。

【００１３】上記構成によれば、上記チャネル部を単結
晶で構成することによって粒界の影響が避けられる。さ
らに、欠陥が入り難いので上記チャネル部の特性向上が
図られ、再現性も良好になる。

【００１４】また、この発明の超伝導素子は、上記チャ
ネル部にチャネル電流を流すためのソース電極およびド
レイン電極の少なくとも一方は、上記チャネル部におけ
る電気伝導が高い方向と交差するように形成された面を
有していることが望ましい。

【００１５】上記構成によれば、上記ソース電極あるい
はドレイン電極とチャネル部との間のキャリアの流れが
良好であり、高速化と低消費電力化とが図られる。

【００１６】また、この発明の超伝導素子は、上記ソー
ス電極,ドレイン電極,ゲート電極およびチャネル部の少
なくとも２つを、同じ組成の超伝導体で構成することが
望ましい。

【００１７】上記構成によれば、上記ソース電極,ドレ
イン電極,ゲート電極およびチャネル部の少なくとも２
つを同じ組成の物質で構成することによって不純物の混
入の可能性が低減される。そして、上記同じ組成の物質
で構成される領域が互いに隣接する領域である場合に
は、両領域の接合部分の抵抗が低減される。

【００１８】また、この発明の超伝導素子は、上記超伝
導体としてＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}を用いることが望ましい。

【００１９】上記構成によれば、上記超伝導体としてＹ
Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}を用いることによって、酸化物超伝導体
の臨界温度が高いという利点が生かされ、酸素の組成比
の不均一に対する転移温度の変化が少なくなる。その結
果、生産性が向上される。さらに、経時変化による酸素
組成比の変化の影響が受け難くなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態の超伝
導素子における概略構造を示す図である。図１(a)は平
面図であり、図１(b)は図１(a)におけるＡ−Ａ矢視断面
図であり、図１(b)はＢ−Ｂ矢視断面図である。非超伝
導体の基板１上に酸化物超伝導体２のパターンが形成さ
れ、その上全面に絶縁膜３が形成されている。そして、
絶縁膜３および酸化物超伝導体２パターンを貫通してソ
ース電極４およびドレイン電極５が形成され、ソース電
極４とドレイン電極５との中間における絶縁膜３上に
「コ」字状にパターニングされたゲート電極６が形成され
ている。

【００２１】図２は、図１に示す超伝導素子の形成工程
の一例を示す図である。先ず、図２(a)に示すように、
基板１が形成される。基板１としては、例えばＭgＯ,Ｓ
rＴiＯ₃,ＬaＡlＯ₃基板や、Ｓiやサファイア(α−Ａl₂
Ｏ₃)等の上にバッファ層としてＹＳＺ(イットリア安定
化ＺrＯ₂),ＣeＯ₂,ＣaＦ₂を成膜した基板等を用いる。
本実施の形態においてはＳrＬaＭnＯ₄を用いた。ところ
で、上記基板１は、チャネル部となる超伝導体が形成で
きれば良く、様々な様態が考えられるが、成膜したい超
伝導材料の成膜条件に対応した熱的および化学的安定
性,格子定数および熱膨張率係数の整合性が必要であ
り、低誘電率を有するものが望ましい。本実施の形態に
おいては非導電性の高いものが望ましい。

【００２２】次に、上記基板１上に、蒸着法,ＭＢＥ(分
子線エピタキシャル)法,レーザアブレーション法または
スパッタ法等を用いて、例えばＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}単結晶
で成る酸化物超伝導体２を５０Å〜１０μmの膜厚で成
膜する。本実施の形態においては、レーザー蒸着法を用
いてＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}を約５００Å程度成膜した。

【００２３】超伝導体の臨界磁場は、薄膜化してその厚
みを薄くしていくと小さくなっていく。したがって、チ
ャネル部における磁場が掛かる部分の単結晶は、必要な
チャネル電流が臨界電流を超えない範囲で、薄い方が好
ましい。但し、極端に薄膜化すると転移温度も下がって
くるので１００Å以上が好ましい。

【００２４】尚、本実施例においては、上記チャネル部
を構成する酸化物超伝導体２としてＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}を
用いた例を示しているが、Ｌa_2-XＳr_XＣuＯ_{4+ δ}やＢi₂
Ｓr₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏ_{10+ δ}等の超伝導に異方性を有するもの
であればチャネル部の材料として用いることができる。
特に、Ｂi₂Ｓr₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏ_{10+ δ}やＴl₂Ｂa₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏ
₁₀等は良好な成膜性と高い超伝導転移温度を有している
ために好ましい。その中でも、本実施の形態で用いるＹ
Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}は、上述の性能を有するとともに、比較
的簡単に製造でき、品質も良い。また、ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_7-
δは、６０Ｋ付近と９０Ｋ付近とに酸素含有量の変化に
対し安定な臨界温度を有している。したがって、他の物
質に比べて酸素濃度の不均一性に対し許容性を有する。
この性質を有することは、生産性の向上につながり、歩
留まりの向上、更には経時変化による特性劣化が起こり
にくいことを意味し、信頼性が高い。このような点か
ら、ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}はより好ましい材料と言える。

【００２５】図３は、本実施の形態において形成された
ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}におけるＣuＯ鎖方向(ｂ軸方向)の抵
抗率とＣuＯ鎖に垂直な方向(ａ軸方向)の抵抗率とを示
す。横軸は温度を示している。図から分かるように、ｂ
軸方向よりもａ軸方向の方の抵抗率が高い。このよう
に、上記チャネル部の材料としてＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}を用
いる場合には、上記ＣuＯ鎖(ｂ軸方向)に垂直な方向(ａ
軸方向)をチャネル伝達方向とする方が、オフ電流を少
なくできるために望ましい。このことは、ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ
_{7- δ}の代わりに、ＹＢa₂Ｃu₄Ｏ₈や、ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}
又はＹＢa₂Ｃu₄Ｏ₈のＹを他の元素で置き換えた類似の
超伝導体等を用いる場合にも言えることである。

【００２６】上記チャネル部を構成する酸化超伝導体２
としては、多結晶をチャネル部の全域において配向させ
たものや人工的な格子構造を形成したものを用いてもよ
い。より好ましくは、単結晶を用いることで、例えば臨
界電流が小さいために電流が稼げない等の粒界の影響を
避けることができ、より大電流を流すことができる。ま
た、超伝導体の高速応答性を損なわない。更には、不純
物の混入や欠陥を少なくでき、均一で再現性もよい。こ
のような理由によって、上記チャネル部を構成する酸化
超伝導体２には単結晶を用いるのが好ましい。

【００２７】こうして、上記基板１上に酸化超伝導体２
を成膜した後、チャネル部とする領域以外の不要な領域
をエッチングによって除去する。その場合、エッチング
によらずに、不純物の注入等によって上記不要な領域の
超伝導性を失わせる方法を用いることも可能である。

【００２８】次に、上記基板１および酸化超伝導体２パ
ターン上に絶縁膜３を形成する。この絶縁膜３としてＺ
rＯ₂等を使用できる。本実施の形態においては、ＳrＴi
Ｏ₃を膜厚５nmで成膜した。尚、チャネル上の絶縁膜３
は、ゲート電極６の電流を絶縁可能な範囲内において、
できる限り透磁率の高い物質をできるだけ薄く成膜する
ことが好ましい。

【００２９】他の実施の形態として、上記絶縁膜３を形
成する代わりに、酸化物超伝導体２の超伝導性が失われ
る程度に、例えばＡl,Ｍg等の不純物を酸化物超伝導体
２の表面にイオン注入等によって導入することも可能で
ある。更には、酸化物超伝導体２の組成比を変えること
によって表面側の超伝導性を失わせて、絶縁膜３の代用
とすることも可能である。例えば、成膜した上記ＹＢa₂
Ｃu₃Ｏ_{7- δ}単結晶の表面付近のみを脱酸素によって酸素
の化学量比を減少させ、表面のみを非超伝導領域とし絶
縁化することも可能である。

【００３０】次に、図２(b)に示すように、ホトリソグ
ラフィとエッチングとによって、ソース電極４およびド
レイン電極５形成用の開口部７,８を形成する。そうし
た後に、図２(c)に示すように、ソース電極４,ドレイン
電極５およびゲート電極６となる例えば金属や酸化物超
伝導体等の物質９を積層する。本実施の形態において
は、酸化超伝導体２と同じＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}の多結晶を
積層した。

【００３１】次に、図２(c)に示すように、ホトリソグ
ラフィとエッチングとによって、ソース電極４,ドレイ
ン電極５および磁場印加用のゲート電極６を形成する。
その場合、ゲート電極６は、チャネル部を構成する酸化
超伝導体２の超伝導面に磁場を略垂直に掛けることがで
きるように「コ」字状に形成した。

【００３２】ここで、上記開口部７,８を穿つ場合に
は、図２(b)に示すごとく、絶縁膜３とチャネル層(酸化
超伝導体２パターン)との境界よりも更にオーバーエッ
チングを行って、基板１の表面に到達するまで開口部
７,８を穿つことが好ましい。こうすることによって、
ソース電極４の側面の法線方向とドレイン電極５の側面
の法線方向とをチャネル部の電気伝導が高い方向に平行
にできる。したがって、図４に示すように、チャネル部
に対するソース電極４及びドレイン電極５の接続を、チ
ャネル電流がチャネル部を構成する単結晶のｃ軸方向の
電流成分を含まないように行うことができ、ソース電極
４とドレイン電極５との間にチャネル電流を効率よく流
すことができるのである。

【００３３】比較のために、図５に、絶縁膜３とチャネ
ル層２との境界にまでしかエッチングを行わずにソース
電極１１およびドレイン電極１２を形成した、通常用い
られる方法による場合のチャネル電流の流れを示す。こ
の場合には、ソース電極１１およびドレイン電極１２の
近傍において、チャネル電流の流れる方向にチャネル部
を構成する単結晶のｃ軸方向の成分が含まれる。

【００３４】一方において、磁場印加用のゲート電極６
が発生する磁場の方向が、チャネル部を構成する酸化超
伝導体２の超伝導面に対して略垂直である必要がある。
そのような磁場が形成できれば、ゲート電極６の形成場
所は任意である。しかしながら、本実施の形態のよう
に、チャネル部上における超伝導面に対して垂直方向に
ゲート電極６を設置した方が好ましく、チャネル部がゲ
ート電極６からの電場の影響を受け難い。すなわち、チ
ャネル部における電気伝導の低い方向にゲート電極６が
設置されているので、ゲート電極６からの電場に基づく
キャリアの注入による超伝導体の特性劣化を防ぐことが
できるのである。また、チャネル部の電流がゲート電極
６からの電場の影響を受け難くすることができ、安定し
た動作が可能となる。

【００３５】さらに、上記ゲート電極６の形状は、本実
施の形態の場合のように「コ」字状に形成した方が直線形
状に形成する場合より同じ電流量で強磁場を発生させる
ことができ、図６に示すように磁場の方向性も良く好ま
しい。但し、磁場の方向は、ゲート電流が一方のゲート
電極６aの手前から奥の方へ向かって流れて、他方のゲ
ート電極６bの奥から手前に向かって流れる場合を示し
ている。

【００３６】比較のために、図７に、従来のようにゲー
ト電極２４が直線形状であって、電流が手前から奥へ流
れている場合の磁場の様子を示す。図中の矢印付き曲線
が磁場の方向を示している。本実施の形態のごとく、ゲ
ート電極６を「コ」字状に形成した方が、従来の直線形状
に形成した場合に比べて磁束密度が高く、チャネル部の
信号伝達方向に垂直に磁場を掛けることが容易である。
さらに、「コ」字状であれば、多層化することによって、
より少ない電流で強磁場を発生することも可能である。

【００３７】また、本実施例では用いていないが、図１
０に示すように、ゲート電極３４の周囲には絶縁膜３３
を残し、ゲート電極３４内のチャネル部における磁場が
掛かる部分の絶縁膜３３を除去した方が、磁力線を絶縁
膜３３を透過させるよりもチャネル部に掛かる実効磁場
が強くなって望ましい。尚、３１は非超伝導の基板であ
り、３２は酸化超伝導体である。

【００３８】図２において、上記ソース電極４,ドレイ
ン電極５およびゲート電極６は伝導体であればよく、金
属等を用いることもできるが、ソース電極４,ドレイン
電極５,ゲート電極６およびチャネル部は基本的には同
じ組成で構成することが好ましい。例えば、本実施の形
態のごとくソース電極４,ドレイン電極５,ゲート電極６
およびチャネル部をＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}で構成すれば、一
部に他の物質を用いた場合のような不純物の混入等によ
る性能劣化を防止しやすく、生産性が良い。また、ソー
ス電極４およびドレイン電極５をチャネル部と同じ物質
で構成することによって、ショットキー障壁を無くすこ
とができ、接合面の抵抗を低減できる。さらに、超伝導
体を用いるので略抵抗０で回路を形成でき、超低消費電
力化が可能になる。

【００３９】上述のようにして、上記ソース電極４,ド
レイン電極５およびゲート電極６が形成されると、次に
熱アニールを行う。本実施の形態においては、９３０℃
〜９５０℃の酸素雰囲気中で６時間程度加熱し、その後
に徐冷した。これによってチャネル部(酸化超伝導体２)
の単結晶とソース電極４およびゲート電極５の多結晶と
の接合、および、多結晶内の粒界の接合を、良くするこ
とができた。

【００４０】かくして、上記成膜された酸化物超伝導体
２(ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ})の転移温度は９０Ｋであった。ア
ニールの条件は、用いる材料や得ようとする特性によっ
て異なるが、概ね６００℃〜９５０℃の温度で５時間〜
２０時間処理すればよい。

【００４１】上記構成を有する超伝導素子の動作は、ソ
ース電極４とドレイン電極５との間のチャネル部(酸化
超伝導体２)を、ゲート電流により発生する磁場によっ
て超伝導状態と常伝導状態とに切り換え制御を行う。そ
の場合、酸化物超伝導体２の抵抗値は、常伝導状態では
非常に高く、超伝導状態では０である。したがって、ソ
ース電極４とドレイン電極５との間は超低電圧でよい。
また、チャネル部となる酸化物超伝導体２としての銅酸
化物超伝導体等の単結晶はＣuＯ₂面を超伝導面としてい
るので、多結晶の場合のような粒界の影響を受けず、よ
り高速スイッチングが可能となる。また、磁場をＣuＯ₂
面に垂直方向に掛けることによって弱い磁場で制御可能
となり、ゲート電流も微少でよい。図８は、本実施の形
態で用いたＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}の単結晶に、磁場をｃ軸方
向に掛けた場合(Ｈ‖ｃ)とｃ軸に垂直方向に掛けた場合
(Ｈ⊥ｃ)の転移温度の変化を示す。図より、本実施の形
態のごとくｃ軸方向に磁場を掛ける方が効果的であるこ
とがわかる。

【００４２】そして、上記ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}を始めとす
る酸化物超伝導体２においては、ｃ軸方向の抵抗率がＣ
uＯ₂面に平行な方向の抵抗率に比べて一般に１００倍以
上高い上に、磁場制御であるから高電圧を必要としない
ので、絶縁膜３の絶縁条件は格段に緩和されることにな
る。したがって、信頼性が高く、薄膜化が可能であるこ
とからより低磁場で制御できるのである。図９は、上述
のようにして形成された超伝導素子の種々転移温度での
磁場強度と抵抗率との関係を示す図である。

【００４３】図１１に、温度約８８Ｋにおける本実施の
形態による超伝導素子の電流特性を示す。本実施の形態
における超伝導素子は非常に低抵抗であるので、保護抵
抗を用いて測定を行った。０磁場での電流値はこの保護
抵抗で決定されている。

【００４４】以上のごとく、本実施の形態における超伝
導素子は、素子の信号伝達部であるチャネル部に超伝導
時の電気伝導方向に異方性を有するＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}等
の酸化超伝導体２を用い、ソース電極４及びドレイン電
極５を酸化超伝導体２を貫通して基板１に到達するまで
深く形成している。こうして、酸化超伝導体２の電気伝
導の高い方向とチャネル部全体の信号伝達方向とを一致
させている。さらに、ゲート電極６をチャネル部上にお
ける酸化超伝導体２の超伝導面に対して垂直方向に設置
し、且つ、「コ」字状に形成している。こうして、チャネ
ル部がゲート電極６からの電場の影響を受け難くし、強
磁場を発生可能にしている。

【００４５】すなわち、本実施の形態によれば、チャネ
ル部の信号伝達を高速で行うことができる。更に、チャ
ネル電流を磁場で制御するので、従来の電場を用いる方
法に比べて微細加工を必要としないのである。また、最
も効率的に磁場でチャネル部を制御できるので、ゲート
電流を低減でき、低消費電力化が可能である。

【００４６】また、本実施の形態においては、上記チャ
ネル部の電流を制御するためのゲート電極６を、チャネ
ル部を構成する酸化超伝導体２の電気伝導の低い方向に
設置している。したがって、上記チャネル部とゲート電
極６との間のキャリア突き抜けを防止することができ、
特性劣化が起こり難くできる。また、チャネル部がゲー
ト電極６からの電場の影響を受け難くすることができ
る。

【００４７】また、本実施の形態においては、上記ゲー
ト電極６の形状を「コ」字状にしている。したがって、チ
ャネル電流を制御する磁場を効果的に発生することがで
き、小電流で必要な磁場を発生することができる。した
がって、低消費電力化が可能となる。

【００４８】また、本実施の形態においては、上記チャ
ネル部を構成する酸化超伝導体２をＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}の
単結晶で形成している。したがって、単結晶を用いるこ
とで粒界の影響を避けることができ、欠陥が入り難くで
きる。したがって、チャネルの特性を向上することがで
き、再現性も良好になる。

【００４９】ところで、この発明は、上述の説明や図面
等の内容に何ら限定を受けるものではなく、以下の内容
も含まれる。すなわち、 (１）上記実施の形態においてはゲート電極６を「コ」字
状に形成しているが、臨界磁場以上の磁場を発生できれ
ば形状にはこだわるものではない。 (２）上記実施の形態においてはゲート電極６を１つし
か設けていないが、上記チャネルの上下等に複数備えて
も一向に構わない。 (３）上記実施の形態においてはチャネル部の単結晶と
ゲート電極６とを絶縁膜３を挟んで積層しているが、臨
界磁場以上の磁場がチャネル部に加わればよく、磁場は
空間を伝播するのでチャネル部の単結晶とゲート電極６
とは離れていても差し支えない。 (４）上記実施の形態においては基板１に対して酸化超
伝導体２単結晶のｃ軸を略垂直にしているが、ゲート電
極６が発生する磁場が上記単結晶のｃ軸と略平行であれ
ばよく、基板１と酸化超伝導体２単結晶の軸方向との関
係には特にこだわるものではない。

【００５０】

【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の超
伝導素子は、超伝導を担うキャリアの伝導方向に異方性
を有する超伝導体でチャネル部を構成するに際にして、
上記チャネル部全体においてチャネル電流の方向と上記
超伝導体の電気伝導が高い方向とを一致させるので、上
記チャネル部の信号伝達を高速に行うことができる。さ
らに、上記チャネル電流を磁場で制御するので、ジョセ
フソン素子やＳＱＵＩＤ等の電場で制御する素子ように
微細加工を必要とはしない。さらに、上記チャネル電流
を磁場で制御するに際して、上記磁場の印加方向が超伝
導面に対して略垂直であるので、最も効率的に磁場によ
って上記チャネル電流を制御でき、磁場制御用の電流を
低減して低消費電力化を実現できる。

【００５１】上述のように、この発明によれば、上記超
伝導体の特性である低消費電力,高速応答性を損なうこ
となく、従来の超伝導素子に比べて簡単な構造で、再現
性よく、高性能で高信頼性の超伝導素子を簡単に製造で
きる。したがって、高速且つ超低消費電力で動作する超
伝導素子を実現することができ、その実用的効果は大き
い。

【００５２】また、この発明の超伝導素子は、上記チャ
ネル電流を制御する磁場を発生させるためのゲート電極
を、上記チャネル部を構成する上記超伝導体に対して電
気伝導が低い方向に設置すれば、上記チャネル部とゲー
ト電極との間のキャリア突き抜けが防止されて、特性劣
化が起こり難くできる。さらに、上記チャネル部に対す
る上記ゲート電極からの電場の影響を受け難くできる。

【００５３】また、この発明の超伝導素子は、上記ゲー
ト電極を一部が切れたループ形状に成し、上記ゲート電
極に電流を流すことによって上記磁場を発生させるよう
にすれば、上記ゲート電極に電流を流すことによって上
記磁場を効果的に発生させることができ、小電流で必要
な磁場を発生できる。したがって、更なる低消費電力化
を実現できる。

【００５４】また、この発明の超伝導素子は、上記チャ
ネル部を単結晶の超伝導体で構成すれば、上記チャネル
部に対する粒界の影響を避けることができ、上記チャネ
ル電流を大きくできる。また、上記チャネル部に欠陥を
入り難くして特性向上を図ることができる。さらに、再
現性も良好にできる。

【００５５】また、この発明の超伝導素子は、上記チャ
ネル部にチャネル電流を流すためのソース電極およびド
レイン電極の少なくとも一方を、上記チャネル部におけ
る電気伝導が高い方向と交差するように形成された面を
有するように成せば、上記ソース電極あるいはドレイン
電極とチャネル部との間のキャリアの流れを良好にで
き、高速化と低消費電力化とを図ることができる。

【００５６】また、この発明の超伝導素子は、上記ソー
ス電極,ドレイン電極,ゲート電極およびチャネル部の少
なくとも２つを同じ組成の超伝導体で構成すれば、上記
同じ組成の物質で構成された領域に対する不純物の混入
の可能性を低減できる。その場合に、上記同じ組成の物
質で構成される領域が互いに隣接する領域である場合に
は、両領域の接合部分の抵抗を低減できる。

【００５７】また、この発明の超伝導素子は、上記超伝
導体としてＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}を用いれば、酸化物超伝導
体の臨界温度が高いという利点を生かして酸素の組成比
の不均一に対する転移温度の変化を少なくできる。その
結果、生産性を向上できる。さらに、経時変化による酸
素組成比の変化の影響を受け難くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の超伝導素子における概略構造を示
す図である。

【図２】 図１に示す超伝導素子の形成工程の一例を示
す図である。

【図３】 図１におけるＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}のｂ軸方向の
抵抗率とａ軸方向の抵抗率とを示す図である。

【図４】 図１に示す超伝導素子におけるチャネル電流
の方向を示す図である。

【図５】 ソース電極およびドレイン電極が酸化超伝導
体と絶縁膜との境界まで形成された場合におけるチャネ
ル電流の方向を示す図である。

【図６】 図１に示す超伝導素子における磁場の方向を
示す図である。

【図７】 ゲート電極が直線形状である場合における磁
場の方向を示す図である。

【図８】 図１におけるＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}の単結晶に対
する磁場の方向と転移温度変化との関係を示す図であ
る。

【図９】 図１に示す超伝導素子における各転移温度で
の磁場強度と抵抗率との関係を示す図である。

【図１０】 図１とは異なる超伝導素子における縦断面
形状と磁場の方向を示す図である。

【図１１】 図１に示す超伝導素子における電流特性を
示す図である。

【符号の説明】

１,３１…基板、 ２,３２…酸化物超伝導体、３,３３
…絶縁膜、 ４…ソース電極、５…
ドレイン電極、 ６,３４…ゲート電
極、７,８…開口部。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 信号伝達部であるチャネル部に超伝導を
   担うキャリアの伝導方向に異方性を有する超伝導体を用
   いると共に、チャネル電流を磁場で制御する超伝導素子
   において、 上記チャネル電流方向と上記超伝導体の電気伝導が高い
   方向とが上記チャネル部全体において一致しており、上
   記磁場を印加する方向が超伝導面に対して略垂直である
   ことを特徴する超伝導素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超伝導素子において、 上記チャネル電流を制御する磁場を発生させるためのゲ
   ート電極を、上記チャネル部を構成する上記超伝導体に
   対して電気伝導が低い方向に設置したことを特徴とする
   超伝導素子。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の超伝導素子において、 上記ゲート電極は一部が切れたループ形状を成してお
   り、上記ゲート電極に電流を流すことによって上記磁場
   を発生させることを特徴とする超伝導素子。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の超伝導素子において、 上記チャネル部を構成する超伝導体は単結晶であること
   を特徴とする超伝導素子。
5. 【請求項５】 請求項１あるいは請求項２に記載の超伝
   導素子において、 上記チャネル部にチャネル電流を流すためのソース電極
   およびドレイン電極の少なくとも一方は、上記チャネル
   部における電気伝導が高い方向と交差するように形成さ
   れた面を有していることを特徴とする超伝導素子。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の超伝導素子において、 上記ソース電極,ドレイン電極,ゲート電極およびチャネ
   ル部の少なくとも２つが同じ組成の超伝導体で構成され
   ていることを特徴とする超伝導素子。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６の何れか一つに記
   載の超伝導素子において、 上記超伝導体は、ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_{7- δ}であることを特徴と
   する超伝導素子。